(57)【要約】【課題】簡単な構成で、セル電圧端子を強固に保持するとともに、組み付け作業が一挙に簡素化して生産性の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は単位セル１２を備える。単位セル１２を構成する第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６は、射出成形されるとともに、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端部は、インサート部品として埋設されることにより、前記第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６に前記第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂが一体に設けられる。第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂは、外部に露呈する端子部５０ａ、５０ｂより幅広な抜け止め形状部５２ａ、５２ｂを、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６内に設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、カーボンセパレータとが複数積層される燃料電池スタックであって、
前記カーボンセパレータに設けられ、セル電圧を検出するためのセル電圧端子を備え、
前記セル電圧端子は、前記カーボンセパレータの成形時に端部が埋設されるとともに、
前記端部には、前記カーボンセパレータの外部に露呈する前記セル電圧端子の端子部より幅広な抜け止め形状部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端子部には、螺旋状乃至波状の緩衝部位が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と共に積層され、燃料電池スタックを構成するカーボンセパレータの製造方法であって、
セル電圧を検出するためのセル電圧端子を、インサート部品として前記カーボンセパレータを一体成形する工程を有するとともに、
前記セル電圧端子は、前記カーボンセパレータの成形時に埋設される端部に、前記カーボンセパレータの外部に露呈する前記セル電圧端子の端子部より幅広な抜け止め形状部が設けられることを特徴とするカーボンセパレータの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の製造方法において、前記端子部には、螺旋状乃至波状の緩衝部位が設けられることを特徴とするカーボンセパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、カーボンセパレータとが複数積層される燃料電池スタック及びカーボンセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。単位セルは、複数積層されることにより燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
通常、燃料電池では、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的に、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置に接続して、発電時の各単位セル毎又は所定数の単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、燃料電池の各セルの電圧測定用の端子として、セパレータの端面に該セパレータと一体、又は半田付けやプロジェクション溶接等による接合により、ピン状やＬ字状等の突起状の端子を設けることを特徴としている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３３９８２８号公報（図３、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記のセパレータは、金属製プレートで構成されており、カーボンセパレータには適用することができない。このため、一般的に、カーボンセパレータでは、前記カーボンセパレータに穴部を設け、この穴部にクリップ等を差し込む構成が採用されている。
【０００７】
しかしながら、この種の構成では、特に多数の単位セルが積層される燃料電池スタックに用いる際、組み付け作業に相当な時間がかかってしまい、効率的ではないという問題がある。しかも、強度的にも信頼性がなく、外部からの振動等で脱落し易いという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、セル電圧端子を強固且つ確実に保持するとともに、組み付け作業が一挙に簡素化して生産性の向上を図ることが可能な燃料電池スタック及びカーボンセパレータの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、カーボンセパレータとが複数積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
カーボンセパレータには、セル電圧を検出するためのセル電圧端子が設けられている。そして、セル電圧端子は、カーボンセパレータの成形時に端部が埋設されるとともに、前記端部には、前記カーボンセパレータの外部に露呈する前記セル電圧端子の端子部より幅広な抜け止め形状部が設けられている。また、端子部には、螺旋状乃至波状の緩衝部位が設けられることが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と積層され、燃料電池スタックを構成するカーボンセパレータの製造方法に関するものである。
【００１２】
この製造方法は、セル電圧を検出するためのセル電圧端子を、インサート部品としてカーボンセパレータを一体成形する工程を有するとともに、前記セル電圧端子は、前記カーボンセパレータの成形時に埋設される端部に、前記カーボンセパレータの外部に露呈する前記セル電圧端子の端子部より幅広な抜け止め形状部が設けられている。また、端子部には、螺旋状乃至波状の緩衝部位が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、セル電圧端子は、カーボンセパレータの成形時に端部が埋設されてこのカーボンセパレータと一体化されている。このため、部品数が有効に削減されるとともに、カーボンセパレータの製造作業が一挙に簡素化して生産性の向上を容易に図ることが可能になる。
【００１４】
しかも、セル電圧端子の端部には、カーボンセパレータの外部に露呈する前記セル電圧端子の端子部より幅広な抜け止め形状部が設けられている。従って、セル電圧端子をカーボンセパレータに対して強固且つ確実に保持することができ、外部からの振動、例えば、燃料電池スタックを車載した際の振動等に対する耐久性（信頼性）が有効に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング（図示せず）に収容保持され、あるいは、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間を締め付けるタイロッド（図示せず）により保持される。
【００１８】
図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６とを備える。
【００１９】
単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。
【００２０】
単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード側電極３８及びアノード側電極４０とを備える。
【００２２】
カソード側電極３８及びアノード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。
【００２３】
第１カーボンセパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１カーボンセパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００２４】
第２カーボンセパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。第２カーボンセパレータ２６の面２６ｂには、第１カーボンセパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。
【００２５】
図１及び図３に示すように、エンドプレート２０ａ側に配設される所定数の単位セル１２において、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の外周部には、矢印Ｃ方向の上部一端側に位置して、電解質膜・電極構造体２２で発生するセル電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂが、インサート成形により一体的に設けられる。第１セル電圧端子４８ａと第２セル電圧端子４８ｂとは、矢印Ｂ方向に互いに位置をずらして設けられる。
【００２６】
エンドプレート２０ｂ側に配設される他の所定数の単位セル１２において、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の外周部には、矢印Ｃ方向の上部他端側に位置して、電解質膜・電極構造体２２で発生する電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂが、インサート成形により一体的に設けられる。
【００２７】
図４に示すように、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂは、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の成形時に端部が埋設されるとともに、前記端部には、前記第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の外部に露呈する前記第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端子部５０ａ、５０ｂより幅広な抜け止め形状部５２ａ、５２ｂが設けられる。抜け止め形状部５２ａ、５２ｂは、実質的に逆Ｔ字状を有しており、矢印Ｂ方向に延在する肩部が抜け止め機能を有する。
【００２８】
図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５６ａ、５６ｂが形成される。端子部５６ａ、５６ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の両面には、図示しないが、必要に応じてシール部材（例えば、ガスケット等）が配設される。
【００２９】
次いで、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６を製造する方法について、説明する。
【００３０】
第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の構成材料として、例えば、炭素と樹脂と含む炭素複合材料を例示する。炭素複合材料に用いる炭素粉末は、人造黒鉛、リン片状黒鉛、カーボンブラック等が挙げられる。
【００３１】
炭素複合材料に用いる樹脂は、熱硬化性樹脂が好ましいが、熱可塑性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。
【００３２】
そこで、炭素粉末と樹脂を混合して混練することにより、混練物が得られる。この混練物は、モールド成形、例えば、プレス形成法、トランスファー形成法、射出成形法等によって成形され、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６が得られる。その際、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の外周部には、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂが一体的に設けられる。
【００３３】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
先ず、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。
【００３５】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２カーボンセパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第１カーボンセパレータ２４の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極４０に沿って移動する。
【００３６】
従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３７】
次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。
【００３８】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３２ａから第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６が射出成形される際、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂは、インサート部品として前記第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６に一体に設けられている。
【００４０】
このため、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端部は、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６に埋設されており、固定構造が一挙に簡素化するとともに、部品数が有効に削減される。
【００４１】
しかも、専用の固定構造を用いて第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂを第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６に取り付ける作業が不要になる。これにより、燃料電池スタック１０全体の組み付け作業が一挙に簡素化し、生産性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００４２】
さらに、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端部には、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６の外部に露呈する端子部５０ａ、５０ｂより幅広な抜け止め形状部５２ａ、５２ｂが設けられている（図４参照）。従って、抜け止め形状部５２ａ、５２ｂは、第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６に埋設された状態で、矢印Ｂ方向に延在する肩部が抜け止め機能を有し、前記第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂを前記第１及び第２カーボンセパレータ２４、２６に対して強固且つ確実に保持することができる。これにより、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂは、外部からの振動等に対する耐久性（信頼性）が有効に向上するという利点がある。
【００４３】
なお、第１の実施形態では、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端部に、実質的に逆Ｔ字状を有する抜け止め形状部５２ａ、５２ｂを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端部には、リング状の抜け止め形状部５２ｃ、５２ｄを設ける構造を採用することができる。また、図６に示すように、第１及び第２セル電圧端子４８ａ、４８ｂの端部には、略三角形状の抜け止め形状部５２ｅ、５２ｆを設ける構造を採用することも可能である。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１カーボンセパレータ６０の一部斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１カーボンセパレータ２４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
第１カーボンセパレータ６０の外周部には、この第１カーボンセパレータ６０を射出成形する際、インサート部品として第１セル電圧端子６２の端部が埋設される。これにより、第１セル電圧端子６２は、第１カーボンセパレータ６０に一体的に設けられる。第１セル電圧端子６２は、端子部５０ａに螺旋状に周回するスプリング形状部６４を有している。
【００４６】
なお、図示していないが、第２カーボンセパレータにも同様に、第２セル電圧端子がインサート部品として端部を埋設して一体的に設けられている。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態では、第１セル電圧端子６２の端子部５０ａにスプリング形状部６４が設けられている。このため、スプリング形状部６４は、端子部５４ａに外部からの応力や荷重等の外力が付与された際、この外力を吸収する緩衝部位として機能する。従って、端子部５０ａの曲がりや第１カーボンセパレータ６０の破損等を一層確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００４８】
また、第２の実施形態では、第１セル電圧端子６２の端子部５０ａにスプリング形状部６４を設けているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、第１カーボンセパレータ７０には、射出成形時に第１セル電圧端子７２をインサート部品として一体に設けるとともに、この第１セル電圧端子７２の端子部５０ａには、波板形状部７４が形成される。この波板形状部７４は、略板ばね状に構成されており、緩衝部位としての機能を有する。
【００４９】
さらにまた、図９に示すように、第１カーボンセパレータ８０に端部が埋設される第１セル電圧端子８２は、端子部５０ａに板状部品をねじり成形した波板形状部８４を設ける。この波板形状部８４は、実質的にばねとしての機能を有し、スプリング形状部６４及び波板形状部７４と同様に緩衝部位を構成している。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記単位セルを構成する第１カーボンセパレータに埋設されるセル電圧端子の一部拡大説明図である。
【図５】前記セル電圧端子とは異なる形状のセル電圧端子の一部拡大説明図である。
【図６】前記セル電圧端子とはさらに異なる形状のセル電圧端子の一部拡大説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１カーボンセパレータの一部斜視説明図である。
【図８】前記第１カーボンセパレータとは異なる形状の第１カーボンセパレータの一部斜視説明図である。
【図９】前記第１カーボンセパレータとはさらに異なる形状の第１カーボンセパレータの一部斜視説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料電池スタック          １２…単位セル
１４…積層体                    １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート    ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、６０、７０、８０…カーボンセパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔    ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔      ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔      ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜        ３８…カソード側電極
４０…アノード側電極            ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路              ４６…酸化剤ガス流路
４８ａ、４８ｂ、６２、７２、８２…セル電圧端子
５０ａ、５０ｂ、５４ａ、５６ａ、５６ｂ…端子部
５２ａ〜５２ｆ…抜け止め形状部  ６４…スプリング形状部
７４、８４…波板形状部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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